港口工程桩基设计及施工特点

1 港口工程桩基的设计
　　1.1 桩型及桩长的设计
　　桩型及桩长是桩基设计中最重要的两个因素，只有桩基的桩型和桩长设计得科学、合理，才能保证整个港口工程的施工质量。从力学角度分析，桩基分为横向受力桩、竖向受力桩和斜向受力桩，不同的桩型具有不同的截面积，其受力及应力分布也不同，因此设计者应该根据建筑物的实际载荷对桩型进行设计选择。桩长的设计与其断面、地基的持力层厚度以及沉降方式有关，同时也要依据施工环境，对地层的情况进行分析。在通常情况下，设计人员会根据现有的施工方案，对施工现场进行勘察，设计出多个方案进行比较选择，根据工程实际，选择合适的桩型与桩长，以确保工程造价的经济合理性。
　　1.2 桩基的静载荷试验
　　在桩基投入使用前都会进行静载荷试验，目的是为了确保桩基在实际使用中安全耐用。在港口工程进行桩基静载荷试验是目前比较可信的一项桩基检测试验，根据试验所得数据对桩基的可靠性进行分析，并进一步确定桩基的施工方案。一般的静载荷试验是分别在桩基的顶部对桩基逐级加载轴向压力、轴向上拔力和水平力，并测出桩基上各个检测点随着时间不断变化而产生的下沉λ移、上拔λ移以及水平λ移，绘制出相应的压力载荷与各向λ移的关系曲线图，判断出单个桩基各向应力、λ移的极值，观测加载后桩基的性能和变形情况，在实际工程中根据一定的安全余量，确定出桩基所能承受的载荷范Χ。
　　1.3 桩基设计的注意事项
　　在桩基设计中，首先要做好桩基性能参数的设计，比如桩基变形系数、桩顶刚度计算、确定桩身挠曲长度等，这些都是桩基的基本参数。其次，桩基的设计与施工现场的水文地质条件是紧密相连的，不论设计的是钻孔灌注桩还是预制桩，在设计时都要充分考察港口码头的地质结构、土壤构成以及水文状况。根据港口的地质勘查报告，综合考虑桩基的安全、质量、施工进度等，对桩基进行施工。再者，如果相邻桩基之间的地质情况差异较大，则桩基的设计需要分开设计，设计者需要根据港口地质的实际情况对桩基进行差异化设计。
　　2 港口工程桩基的施工
　　港口工程桩基的施工是整个港口施工的基础和保障，也是港口施工的重点和难点。按照桩基的类型分为钻孔灌注桩、预应力钢筋混凝土桩、钢管桩、钢筋方桩和PHC桩等。港口工程中主要应用的有钻孔灌注桩和预应力钢筋混凝土柱。也有少量应用PHC桩。
　　桩基是港口承受载荷的主体结构，通过桩体将上部的载荷传送到地基中。只有对桩结构进行合理的选择和布置才能最大限度地发挥桩的承受能力，同时使码头的沉降不均匀度最小，有利于稳固岸坡，使码头的技术经济性达到最优。为了弥补打桩对岸坡稳固性的影响，实际施工时常采用“打头”、“束腰”、“压脚”等方法，也要考虑桩负摩擦力、桩群和桩的拔出对岸坡的影响。
　　桩柱除了要承受上部的载荷外，还要承受来自船舶、海水等横向撞击带来的影响，长时间浸泡在海水中要受到海水的侵蚀。以下对各种桩基结构进行介绍。
　　2.1 钻孔灌注桩
　　灌注桩是指使用钻孔、钢管挤压或者挖掘等手段在地面形成桩孔，再在桩孔内放置钢筋笼，灌注混凝土形成灌注桩。钻孔灌注桩是使用地面钻孔的方法形成灌注桩。
　　按照护壁方法的不同又分为泥浆护壁和全套管护壁。钻孔灌注桩的优点是在各种地基条件下均能使用，相对于锤击钢管法噪声较小。缺点也很明显，成孔费工费时，钻孔灌注桩属于隐蔽工程，对于桩柱质量难以检测，因此存在质量隐患。
　　2.2 预应力钢筋混凝土桩
　　预应力钢筋混凝土桩的制作过程是先由钢筋制成钢筋笼，在钢筋笼内安装各种预埋件和金属构件，再将钢筋笼放入钢模中，在钢模中注入混凝土，钢模绕中心轴旋转，使混凝土在离心力作用下压实、成型。预应力钢筋混凝土桩分为先张法和后张法，先张法具有较高的抗裂弯矩和极限弯矩，桩体承载能力高。适宜埋藏在深、强风化岩层地质条件下使用。后张法适用于大口径管桩，具有寿命长的特点。
　　2.3 PHC桩
　　PHC桩是我国的引进产品，它是预应力钢筋混凝土桩的一种，具有更高的混凝土强度。
　　首先对它经过预应力离心成型，再通过1.0 MPa和180 ℃蒸汽养护，形成空心圆筒形的管桩构建。具有较长的工程强度，单桩承载力强、应用范Χ广、沉桩质量可靠、工程造价便宜和施工应力小等优点。PHC桩正在码头、公·等行业得到越来越广泛的应用。预计到2016年，PHC桩的需求量将达到5.98亿m3。
　　2.4 预应力混凝土空心方桩
　　预应力混凝土空心方桩是用离心成型的方法对浇筑进入钢模中的混凝土进行压实、成型。
　　根据材料力学性能，同样的质量的物料，空心的方桩相较于实心方桩具有更高的抗弯模量。因此预应力混凝土空心方桩具有承载能力强、生产周期短的特点。其形状是外方内圆。
　　在同样地使用条件下，方桩的横截面积要大于圆柱，因此在土层中方桩的接触面要大于圆柱，方桩具有更高的摩擦。方桩耐冲击，桩头不易损坏，且焊接周长较长，焊接不易破损。目前正得到大力推广和应用。
　　3 港口工程桩基的防腐蚀措施
　　分析了桩基的腐蚀原因可知，若桩基的腐蚀严重会导致无法挽回的后果和巨大的经济损失，因此考虑到码头的使用安全，我们在设计时就应该对桩基采取一定的防腐措施，以杜绝隐患。
3.1 采用高性能混凝土防腐
　　在桩基的制作与施工中，最好采用性能好、抗海水腐蚀强的混凝土，此类混凝土能够提高桩基的密实程度，特别是对于海水中的氯离子能够具有较强的抗渗透性。
　　高性能混凝土是选用优秀原材料，再加入大量掺合料以及高效外加剂配制而成的，不但具有自密实性、体积稳定性、强度高、收缩徐变小等优点外，在抵抗化学腐蚀上其性能也明显优于普通混凝土，这样就大大地延长了桩基的使用寿命。
　　3.2 涂层防腐
　　在桩基的外表面涂上一层厚厚的防腐层，使桩基与外界的海水环境隔离，这层涂层阻止了腐蚀介质与腐蚀材料的接触，这样就大大减小了桩基腐蚀的条件，起到防腐的作用。
　　但是涂层的厚度有一定范Χ，不能无限制的加厚。目前这种涂层防腐技术应用比较灵活，在施工现场可直接对桩基进行涂刷，简单易操作，经济性好，因此应用十分广泛。
　　3.3 阴极保护防腐
　　阴极保护防腐技术是港口工程中使用最多的防腐技术之一。主要方法是将具有还原性的金属和被保护的金属构成一个原电池，其中还原性强的金属为保护极，而桩基一端为被保护极，含有杂质的海水为电解质溶液。当海水浸泡时，还原性强的金属在反应中作为负极失去电子发生腐蚀作用，而桩基一端由于被保护因而不发生反应，这样就消耗了还原性强的金属，避免了桩基钢筋被海水腐蚀。
　　一般阴极保护有两种方法：牺牲阳极法和外加电流法。前者较为常见，而且方法简单易安装、效果较好、无需专业人员维护，可以说是一劳永逸的方法。后者需要人工输入电流，整个系统操作比较繁琐，需要有增设专门的工作人员维护管理。
　　在港口建设中，桩基的使用能够大大减少水下工程量，因此，港口桩基的设计与施工是否合理显得尤为重要。
　　合理科学的桩基选择和设计可以有效减小港口结构物的变形与坍塌，同时也能降低工程造价。
　　桩基的设计和施工要符合工程实际，尽量选用成熟的、有先例的设计方案。桩基除了承受上部载荷外，还会受到多种因素的影响，要综合考虑，以保证工程顺利、稳定完成。